一种液压制动压路机自适应调整制动力的控制方法

1.本发明涉及一种压路机制动控制方法，具体是一种液压制动压路机自适应调整制动力的控制方法，属于压路机技术领域。


背景技术：

2.压路机是修路用的重型工程机械，其利用机械本身的重力作用使被碾压层产生永久变形而密实，广泛用于高等级公路、铁路、机场跑道、大坝、体育场等大型工程项目的填方压实作业。双钢轮压路机一般是指双钢轮振动压路机，是利用其自身的重力和振动以压实各种筑路材料的压路机，因其相较于传统的静作用压路机具有较高的压实度和压实效率、且最适宜压实各种非粘性土壤、碎石、碎石混合料以及各种沥青混凝土而被广泛应用。
3.对于使用高粘度粘结剂的沥青混合料路面，要求在摊铺后尽可能在高温区完成碾压，碾压温度在120℃以上，针对双钢轮压路机而言，单次压实长度通常不超过60～80m，通常要求用较高的碾压速度和较高的振动频率以减小混合料的温度离析和保证密实度。双钢轮压路机作业过程中不仅需与场地施工人员配合、而且需与摊铺机等其他筑路设施和设备配合，一旦发生刮擦或碰撞，不但会对设施或设备造成损毁、而且会危及施工人员的生命安全，因此双钢轮压路机作业具有频繁起步-碾压-制动的循环作业特点、且起步和停车时间约至少占整个循环的20%，双钢轮压路机作业过程中及时判断行驶危险状态、实时预测制动的安全距离并实时采取制动措施，对于保障施工安全具有重要意义。现有技术中通常采用在双钢轮压路机机体上安装雷达用以探测障碍物并实施制动报警的方式，虽然采用雷达探测的方式可以实现实时反馈和实时制动报警，但一方面，由于各种筑路材料的配比、高粘度粘结剂的添加量以及铺层厚度的不同会造成混合料铺层的物理性质不同，而双钢轮压路机的制动通常是液压制动，即，发动机驱动液压泵泵出的高压油通过两个并联的行走液压马达分别驱动前后钢轮行走，制动时液压泵排量为零、行走液压马达为泵工况，产生与钢轮转动方向相反的扭矩对前后钢轮进行制动，经过制动的钢轮与地面之间相互作用实现制动，也就是说，双钢轮压路机的制动速度主要由行走液压系统泵排量的减速度决定、受行走系统最大制动力和地面附着力的影响，因此，针对不同物理性质的混合料铺层，若制动过程中对减速度控制不当往往会造成惯性负载过大，进而导致路面压实不均匀，严重时甚至引起铺层推移或拥包，并影响最终成型路面的质量；另一方面，压路机用于控制挡位的手柄通常直接与压路机液压制动的液压泵连接，通常是手柄位于中位时液压泵排量为零、压路机处于制动状态，通过是通过手柄自前进挡或后退挡回位至中位位置的快慢来控制压路机的制动速度，这就造成压路机正常作业过程中对减速度的控制往往依赖于压路机驾驶人员的经验和应急反应能力。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种液压制动压路机自适应调整制动力的控制方法，能够在作业过程中及时判断行驶危险状态、实时预测制动的安全距离并实时采取制动措施
的前提下实现制动时结合施工路面的刚性特征对减速度进行有效控制，进而避免因惯性负载过大而造成的路面压实不均匀、铺层推移或拥包等现象，特别适用于双钢轮振动压路机。
5.为实现上述目的，液压制动压路机的液压制动部分包括驱动比例泵、用于驱动钢轮的钢轮驱动比例马达和用于控制挡位的手柄；液压制动压路机还包括安装在机体上的障碍物探测部分、密实度探测部分、车速探测部分和制动力分析控制部分；障碍物探测部分包括探障雷达，探障雷达至少包括前侧探障雷达和后侧探障雷达；密实度探测部分包括安装在机体前端和后端的密实度探测雷达以及与密实度探测雷达电连接的密实度控制器；车速探测部分包括用于探测钢轮实时速度的钢轮速度传感器；制动力分析控制部分包括车载控制器、制动力分析回路和制动力控制回路，车载控制器的数据输入端分别与手柄、前侧探障雷达、后侧探障雷达、密实度探测雷达和钢轮速度传感器电连接，车载控制器的控制输出端分别与密实度控制器、驱动比例泵和钢轮驱动比例马达电连接；液压制动压路机工作过程中，车载控制器通过密实度探测雷达实时采集施工路面的刚性特征，并根据实时的路面刚性特征参数e的大小来调整最大减速力矩m；同时车载控制器通过探障雷达实时采集车辆行驶方向上障碍物的数量和距离、通过钢轮速度传感器实时采集当前车速，当车辆行驶方向上存在障碍物时，车载控制器综合路面刚性特征参数e、障碍物的距离及当前车速控制调整驱动比例泵和钢轮驱动比例马达的排量，自适应调整车辆制动力进行减速；具体的：最大减速力矩m通过以下公式计算：其中：a为转换系数；e为路面刚度特征参数；v为压路机与障碍物的相对速度；l为压路机与障碍物的直线距离；θ为在压路机行驶方向上障碍物相对于压路机的方位角；获得最大减速力矩后，通过预设的四个数组控制减速力度，预设的四个数组分别为碰撞预警数组cw[v , d]、减速刹车数组srb[v , d]、紧急制动数组aeb[v , d]、目标速度与变化值对应数组δc[d , value]，其中v对应车速，d对应制动距离，value对应目标变化值；车载控制器实时获取与障碍物的距离d
real
以及压路机的实时速度v，同时车载控制器在碰撞预警数组cw[v , d]中索引当前速度v下对应的距离d
cw
、并将之与d
real
进行比较，若d
real
＞d
cw
，则进行碰撞预警、但不进行制动操作，并在设定的预警时间后自动解除；若d
real
＜d
cw
，则进入减速刹车数组srb[v , d]的判断，若d
real
＜d
srb
，则按照公式δc[value] =p
×
(d
real
－d
srb
)进行制动减速，其中p为预设的比例系数；最后进行紧急制动数组aeb[v , d]的判断，若d
real
＜d
aeb
，则车载控制器控制车辆按照最大制动力矩进行静液压制动。
[0006]
作为本发明的进一步改进方案，密实度探测雷达实时采集施工路面的刚性特征，车载控制器控制密实度控制器发射设定频率的电磁波穿透路面材料，通过密实度探测雷达接收反射回波信号，并依据时延、波形及频谱特性变化解译出目标深度、介质结构及性质信息，结合预先输入的路面材料特征输出路面的刚性特征，路面的刚性特征参数e通过以下公式来计算：
其中：g
tx
、g
rx
分别为雷达发射天线增益和接收天线增益（单位db）；η
tx
、η
rx
分别为发射天线效率和接收天线效率；α为衰减系数（单位db/m）；λm为媒质中脉冲电磁波中心频率波长（单位m）；σb为目标的散射截面积（单位
㎡
）；d
max
为密实度探测雷达所能探测的最大深度（单位m）。
[0007]
作为本发明的进一步改进方案，障碍物探测部分还包括与探障雷达电连接的避障控制器，探障雷达通过避障控制器与车载控制器的数据输入端电连接；探障雷达还包括可同时检测前方障碍物信息的左侧探障雷达和右侧探障雷达；左侧探障雷达和右侧探障雷达按照设定频率更新障碍物距离和速度随时间的函数变化曲线，当左侧探障雷达和右侧探障雷达更新频率不一致或一侧更新滞后时，避障控制器拟合出同一时刻的障碍物信息，具体如下：设左侧探障雷达（3）所检测到的障碍物信息序列为a=f(i(t))，右侧探障雷达（4）所检测到的障碍物信息为b=f(j(t))，其中t为最小时间间隔、t=1,2,
ꢀ…
,n，i(t)、j(t)为最小时间间隔的函数、代表雷达实际刷新时刻序列；然后将左侧探障雷达所检测到的障碍物信息序列a和右侧探障雷达所检测到的障碍物信息b进行线性拟合或者二次拟合获取t时刻的障碍物信息数据；最后将获取的t时刻的障碍物信息数据进行滤波，获得最终的雷达数据信息。
[0008]
作为本发明的进一步改进方案，将获取的t时刻的障碍物信息数据进行滤波采用卡尔曼滤波器及卡尔曼滤波算法，具体如下：用卡尔曼滤波器估计离散时间过程的状态变量x∈rn，离散时间过程由以下离散随机差分方程描述：xk=ax
k-1
＋bu
k-1
＋w
k-1
定义观测变量z∈rn，得到测量方程：zk=hxk＋vk随机信号wk和uk分别表示过程激励噪声和观测噪声，假设他们为相互独立，正态分布的白色噪声为：其中q为过程激励噪声协方差矩阵，r为观测噪声协方差矩阵；定义为在已知第k步以前状态情况下第k步的先验状态估计，其中-代表先验、^代表估计；定义为已知测量变量zk是第k步的后验状态估计；则先验估计误差和后验估计误差为：
先验估计误差的协方差为：后验估计误差的协方差为：则卡尔曼滤波器的表达式如下，先验估计和加权的测量变量zk及其预测之差的线性组合构成了后验状态估计，其中n
×
m阶矩阵kk为残余增益或混合因数，计算方式如下：。
[0009]
作为本发明的进一步改进方案，前侧探障雷达、后侧探障雷达、左侧探障雷达和右侧探障雷达在空间布置上相对于液压制动压路机的几何中心呈中心对称均布设置。
[0010]
作为本发明的优选方案，前侧探障雷达和后侧探障雷达为毫米波探障雷达，左侧探障雷达和右侧探障雷达为超声波探障雷达。
[0011]
作为本发明的进一步改进方案，针对双钢轮振动压路机，钢轮速度传感器包括前轮速度传感器和后轮速度传感器，钢轮驱动比例马达包括前轮驱动比例马达和后轮驱动比例马达；车载控制器通过前轮速度传感器和后轮速度传感器实时低延时获取前后钢轮的运行速度，并通过实时调整前轮驱动比例马达或后轮驱动比例马达的排量实现前后钢轮的速度误差在设定误差范围内。
[0012]
作为本发明的优选方案，密实度探测雷达是探地雷达或无核密度雷达。
[0013]
作为本发明的进一步改进方案，制动力分析控制部分还包括与车载控制器的数据输入端电连接的人机交互显示器。
[0014]
作为本发明的进一步改进方案，人机交互显示器上布置有启闭安全防撞功能的按键和手动标定探障雷达所关注安全区域范围的按键。
[0015]
与现有技术相比，本液压制动压路机自适应调整制动力的控制方法通过密实度探测雷达实时采集施工路面的刚性特征，并根据实时的路面刚性特征参数的大小来调整最大制动力，通过探障雷达实时采集车辆行驶方向上障碍物的数量和距离，通过钢轮速度传感器实时采集当前车速，当车辆行驶方向上存在障碍物时，可综合路面刚性特征参数、障碍物的距离及当前车速控制调整驱动比例泵和钢轮驱动比例马达的排量，自适应调整车辆制动力进行减速，能够在压路机作业过程中及时判断行驶危险状态、实时预测制动的安全距离并实时采取制动措施的前提下实现制动时结合施工路面的刚性特征对减速度进行有效控制，进而避免因惯性负载过大而造成的路面压实不均匀、铺层推移或拥包等现象，可以有效控制安全防撞距离的同时兼顾路面施工质量，可大大降低操作人员的劳动强度的同时，即可保证压实效率、又可保证施工质量，特别适用于双钢轮振动压路机。
附图说明
[0016]
图1是液压制动的双钢轮压路机的结构示意图；图2是本发明的控制连接示意图；图3是本发明自适应调整制动力的流程原理图。
[0017]
图中：1、前侧探障雷达；2、后侧探障雷达；3、左侧探障雷达；4、右侧探障雷达；5、避障控制器；6、前轮速度传感器；7、密实度控制器；8、密实度探测雷达；9、后轮速度传感器；10、车载控制器；11、驱动比例泵；12、后轮驱动比例马达；13、人机交互显示器；14、前轮驱动比例马达；15、手柄；16第一车体；17、驾驶室；18、第二车体。
具体实施方式
[0018]
以下以液压制动的双钢轮压路机为例、结合附图对本发明做进一步说明。
[0019]
如图1所示，双钢轮压路机包括前后铰接连接的第一车体16和第二车体18，驾驶室17设置在第一车体16上，双钢轮压路机的液压制动部分包括驱动比例泵11、用于驱动钢轮的钢轮驱动比例马达和用于控制挡位的手柄15；双钢轮压路机还包括安装在机体上的障碍物探测部分、密实度探测部分、车速探测部分和制动力分析控制部分。
[0020]
如图2所示，障碍物探测部分包括探障雷达，探障雷达至少包括前侧探障雷达1和后侧探障雷达2。
[0021]
密实度探测部分包括安装在机体前端和后端的密实度探测雷达8以及与密实度探测雷达8电连接的密实度控制器7。密实度探测雷达8可以是探地雷达或无核密度雷达，也可以是其他通过回波特性获得密实度的探测雷达。
[0022]
车速探测部分包括用于探测钢轮实时速度的钢轮速度传感器，钢轮速度传感器包括分别安装在钢轮驱动马达连接盘上的前轮速度传感器6和后轮速度传感器9。
[0023]
制动力分析控制部分包括车载控制器10、制动力分析回路和制动力控制回路，车载控制器10的数据输入端分别与手柄15、前侧探障雷达1、后侧探障雷达2、密实度探测雷达8、前轮速度传感器6和后轮速度传感器9电连接，车载控制器10的控制输出端分别与密实度控制器7、驱动比例泵11、前轮驱动比例马达14和后轮驱动比例马达12电连接。
[0024]
本自适应调整制动力的工作原理：车载控制器10通过密实度探测雷达8实时采集施工路面的刚性特征参数e，并根据实时的路面刚性特征参数e的大小来调整最大减速力矩m，进而通过控制最大减速力矩m实现对最大制动力的控制；同时当车辆行驶方向上存在障碍物时，车载控制器10通过探障雷达实时采集车辆行驶方向上障碍物的数量和距离、通过前轮速度传感器6和后轮速度传感器9实时采集当前车速，车载控制器10通过前轮速度传感器6和后轮速度传感器9实时低延时获取前后钢轮的运行速度，并通过实时调整前轮驱动比例马达14或后轮驱动比例马达12的排量实现前后钢轮的速度误差在设定误差范围内；车载控制器10根据实时的路面刚性特征参数e以及障碍物的距离计算当前车速下刹停车辆的制动力，若计算的当前车速下刹停车辆的制动力大于最大制动力，则车载控制器10调整控制驱动比例泵11、前轮驱动比例马达14和后轮驱动比例马达12的排量调整车辆制动力以控制车辆提前减速。
[0025]
密实度探测雷达8实时采集施工路面的刚性特征时，车载控制器10控制密实度控制器7发射一定频率的电磁波穿透路面材料，电磁波在地下介质中传播，并在电磁特性变化
的界面发生反射，通过密实度探测雷达8接收反射回波信号，并依据时延、波形及频谱特性变化，解译出目标深度、介质结构及性质等重要信息，结合预先输入的路面材料特征，输出路面的刚性特征，路面的刚性特征参数e通过以下公式来计算：其中：g
tx
、g
rx
分别为雷达发射天线增益和接收天线增益（单位db）；η
tx
、η
rx
分别为发射天线效率和接收天线效率；α为衰减系数（单位db/m）；λm为媒质中脉冲电磁波中心频率波长（单位m）；σb为目标的散射截面积（单位
㎡
）；d
max
为密实度探测雷达所能探测的最大深度（单位m）。针对相同筑路材料配比、相同高粘度粘结剂添加量和同一压实遍数而言，其路面的刚性特征参数e通常是因摊铺密度的微小不同而存在微小范围的变化，可近似作为一定值。
[0026]
当车辆行驶方向上存在障碍物时，最大减速力矩m通过以下公式计算：其中：a为转换系数（a的确定方式如下：通过在不同的路面刚度特征参数e的路面上进行试验，寻找对应的最大减速力矩m，例如e=1.1时，m=15000nm；e=1.2时，m=17000nm，并对多组试验数据进行线性拟合，获得转化系数a）；e为路面刚度特征参数；v为压路机与障碍物的相对速度；l为压路机与障碍物的直线距离；θ为在压路机行驶方向上障碍物相对于压路机的方位角（即障碍物与压路机的连线与压路机行驶方向之间的夹角）。路面的刚性特征参数e近似作为一定值的情况下，最大减速力矩m的大小与压路机与障碍物的相对速度v、压路机与障碍物的直线距离l和在压路机行驶方向上障碍物相对于压路机的方位角θ有关。
[0027]
获得最大减速力矩后，如图3所示，通过预设的四个数组控制压路机的合理减速力度，预设的四个数组分别为碰撞预警数组cw[v , d]、减速刹车数组srb[v , d]、紧急制动数组aeb[v , d]、目标速度与变化值对应数组δc[d , value]，其中v对应车速，d对应制动距离，value对应目标变化值，在压路机正常行进时，可以实时检测到与障碍物的距离d
real
以及压路机的实时速度v，车载控制器10在碰撞预警数组cw[v , d]中索引当前速度v下对应的距离d
cw
、并将之与d
real
进行比较，若d
real
＞d
cw
，则进行碰撞预警、但不进行制动操作，并在预警2秒后自动解除；如果d
real
＜d
cw
，则进入减速刹车数组srb[v , d]的判断，若d
real
＜d
srb
，则按照公式δc[value] =p
×
(d
real
－d
srb
)进行制动减速，其中p为预设的比例系数；最后进行紧急制动数组aeb[v , d]的判断，若d
real
＜d
aeb
，说明距离过小、有安全风险，车载控制器10即控制车辆按照最大制动力矩进行静液压制动。
[0028]
为了实现全方向准确探测障碍物，作为本发明的进一步改进方案，障碍物探测部分还包括与探障雷达电连接的避障控制器5，探障雷达通过避障控制器5与车载控制器10的数据输入端电连接；探障雷达还包括可同时检测前方障碍物信息的左侧探障雷达3和右侧探障雷达4，前侧探障雷达1和后侧探障雷达2优选毫米波探障雷达，左侧探障雷达3和右侧探障雷达4优选超声波探障雷达，前侧探障雷达1、后侧探障雷达2、左侧探障雷达3和右侧探障雷达4在空间布置上相对于压路机的几何中心呈中心对称均布设置，并且雷达的探测角度和探测范围经过标定，以确保左右雷达在检测障碍物时的误差最小。左侧探障雷达3和右
侧探障雷达4按照设定频率更新障碍物距离和速度随时间的函数变化曲线，当左侧探障雷达3和右侧探障雷达4因上电时间或者扫描频率不一致而导致的更新频率不一致或一侧更新滞后时，所述避障控制器5拟合出同一时刻的障碍物信息，以确保障碍物信息更新的准确性，具体如下：设左侧探障雷达3所检测到的障碍物信息序列为a=f(i(t))，右侧探障雷达4所检测到的障碍物信息为b=f(j(t))，其中t为最小时间间隔、t=1,2,
ꢀ…
,n，i(t)、j(t)为最小时间间隔的函数、代表雷达实际刷新时刻序列，例如i(t) =2t、j(t) =1.5t＋1。
[0029]
如果想要获取任意t时刻两侧雷达的障碍物信息f(t)，由于i(t)、j(t)为离散函数，其值域不连续，无法使得t= i(t1)= j(t2)，所以需要进行线性拟合或者二次拟合，以二次拟合为例：代入x=t，即可获取t时刻的障碍物信息，但是最终获得的数据信息存在噪声，所以需要对数据进行滤波，这里采用目前普遍用到的卡尔曼滤波算法对目标的数据进行滤波、以使目标数据更稳定。
[0030]
卡尔曼滤波器用于估计离散时间过程的状态变量x∈rn，这个离散时间过程由以下离散随机差分方程描述：xk=ax
k-1
＋bu
k-1
＋w
k-1
定义观测变量z∈rn，得到测量方程：zk=hxk＋vk随机信号wk和uk分别表示过程激励噪声和观测噪声，假设他们为相互独立，正态分布的白色噪声：实际系统中，过程激励噪声协方差矩阵q和观测噪声协方差矩阵r可能会随着每次迭代计算而变化。当控制函数u
k-1
或过程激励噪声w
k-1
为0时，差分方程中的n
×
n阶增益矩阵a和上一时刻k-1的状态线性映射到当前时刻k的状态。n
×
l阶矩阵b代表可选的控制输入u∈r
l
的增益。测量方程中的m
×
n阶矩阵，h表示状态变量xk对测量变量zk的增益。
[0031]
定义（-代表先验，^代表估计）为在已知第k步以前状态情况下第k步的先验状态估计。定义为已知测量变量zk是第k步的后验状态估计。由此定义先验估计误差和后验估计误差：先验估计误差的协方差为：
后验估计误差的协方差为：则卡尔曼滤波器的表达式如下，先验估计和加权的测量变量zk及其预测之差的线性组合构成了后验状态估计，其中n
×
m阶矩阵kk叫做残余增益或混合因数，作用是使后延估计误差的协方差最小，计算方式如下：通过上述卡尔曼滤波过程便可以获得较为精确的雷达数据信息。
[0032]
在自适应调节安全防撞功能开关开启后，车载控制器10的具体控制步骤如下：步骤一，判断手柄15的挡位位置信息，若手柄15处于前进挡或后退挡位置，则跳转至步骤二并顺序执行步骤，若手柄15处在中间的停止挡位位置，则跳转到步骤七；步骤二，避障控制器5读取前侧探障雷达1、后侧探障雷达2、左侧探障雷达3和右侧探障雷达4探测的障碍物的数量及距离，通过总线发送给车载控制器10；步骤三，车载控制器10通过总线读取手柄15的挡位位置信息判断车辆行驶方向，并根据车辆行驶方向对障碍物进行筛选；步骤四，车载控制器10读取前轮速度传感器6和后轮速度传感器9的车速数据；步骤五，车载控制器10控制密实度控制器7发射电磁波，密实度控制器7读取密实度探测雷达8接收的反射回波信号，通过线性融合算法实时低延时输出施工路面压实数据；步骤六，车载控制器10将步骤二实时低延时读取的障碍物距离和数量数据、步骤四实时低延时读取的车速数据、步骤五实时低延时输出路面压实数据此三个数据进行融合计算，实时调整控制驱动比例泵11、前轮驱动比例马达14和后轮驱动比例马达12的排量进行制动；步骤七：只执行步骤五。
[0033]
为了便于进行人机交互，还可以设置与车载控制器10电连接的人机交互显示器13，人机交互显示器13上可布置有开启和关闭安全防撞功能的按键和手动标定前侧探障雷达1、后侧探障雷达2、左侧探障雷达3和右侧探障雷达4所关注安全区域的按键，操作者可以通过各个按键调整安全防撞的开关，可以通过各个按键调整各个探障雷达关注区域的宽度、长度以及需求参数，以达到最好的施工效果。